Kỹ thuật phân tập anten trong hệ thống mimo

Một số đặc điểm chính của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại… Thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TSKH NGUYỄN KIM SÁCH

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 22 tháng 7 năm 2005

Tp HCM, ngày tháng năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : LÂM CHI THƯƠNG Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh: 01-07-1979 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành : Kỹ thuật Vô tuyến-Điện tử MSHV : 01403330

I TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG MIMO

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

− Tìm hiểu tổng quan về hệ thống MIMO – các cải thiện về dung lượng của hệ thống MIMO

− Nghiên cứu kỹ thuật phân tập anten và các phương pháp xử lý tín hiệu trong phân tập anten

− Viết chương trình mô phỏng các giải thuật xử lý tín hiệu trong phân tập anten

− Chạy mô phỏng để lấy các kết quả, từ đó rút ra các đánh giá, kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký Quyết định giao đề tài): 20/01/2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp): 22/7/2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHAN HỒNG PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Nghành thông qua

Ngày tháng năm 2005

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô TS PHAN HỒNG PHƯƠNG, người đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô tại trường Đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy cho chúng em suốt thời gian qua

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn quan tâm giúp đỡ và động viên

TP.Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 07 năm 2005

Học viên thực hiện LÂM CHI THƯƠNG

TÓM TẮT

MIMO là hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten thu phát để nâng cao hiệu quả truyền tin và dung lượng Việc sử dụng nhiều anten thu phát – hay

còn gọi là Kỹ thuật phân tập anten (Antenna diversity) – thực hiện tổ hợp các

phiên bản tín hiệu đến theo cách tối ưu giúp nâng cao chất lượng tín hiệu thu và giảm ảnh hưởng của fading lên tín hiệu

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài:

− Tìm hiểu sơ lược về hệ thống MIMO và khả năng cải thiện dung lượng của kỹ thuật MIMO, trong đó đặc biệt chú ý đến trường hợp phân tập anten

− Nghiên cứu kỹ thuật phân tập anten và các phương pháp xử lý tín hiệu trong phân tập anten

− Mô hình hệ thống sử dụng phân tập anten và viết chương trình mô phỏng các phương pháp xử lý tín hiệu trong phân tập anten

− Chạy mô phỏng để lấy các kết quả, từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá hiệu quả của các phương pháp xử lý tín hiệu

Nội dung cụ thể của đề tài được trình bày thành 6 chương như sau:

Chương 1: GIỚI THIỆU

Trình bày sơ lược lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động, các hạn chế cần khắc phục để phát triển dung lượng của mạng thông tin di động Chương 2: MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Tìm hiểu đặc điểm của môi trường vô tuyến trong thông tin di động

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ OFDM VÀ CÔNG NGHỆ MIMO

Nghiên cứu kỹ thuật OFDM – MIMO, đặc biệt phân tích về dung lượng Chương 4: KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN

Trình bày về kỹ thuật phân tập anten

Chương 5: MÔ HÌNH HOÁ - GIẢI THUẬT - KẾT QUẢ

Chương trình và các kết quả mô phỏng

Chương 6: TỔNG KẾT

Trình bày một số kết luận và hướng phát triển đề tài

Cuối cùng là phần phụ lục và các tài liệu tham khảo

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang i - Mục lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

PHẦN I: TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 2

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của thông tin di động 2

1.2 Những tồn tại, khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động .5

1.3 Sơ lược nội dung luận văn 7

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 10

2.1 Giới thiệu 10

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông tin vô tuyến 10

2.2.1 Suy hao đường truyền (path loss and attenuation) 10

2.2.2 Nhiễu 11

2.2.3 Fading đa đường (multipath fading channel) 15

2.3 Các kỹ thuật nâng cao chất lượng – dung lượng truyền thông vô tuyến 19

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ OFDM VÀ CÔNG NGHỆ MIMO 20

3.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM 20

3.1.1 Giới thiệu 20

3.1.2 Cấu hình hệ thống 23

3.2 Công nghệ MIMO 34

3.2.1 Giới thiệu 34

3.2.2 Mô hình hóa kênh truyền MIMO 35

3.2.3 Phân tích dung lượng của hệ thống MIMO 38

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN 48

4.1 Tổng quan về phân tập (Diversity) 48

4.1.1 Giới thiệu 48

4.1.2 Các kỹ thuật phân tập 49

4.1.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu trong Diversity 53

4.2 Đánh giá các phương pháp kết hợp trong phân tập anten 64

PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 66

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HOÁ - GIẢI THUẬT - KẾT QUẢ 67

5.1 Tổng hợp các nghiên cứu về kỹ thuật Phân tập anten 67

5.1.1 Kỹ thuật phân tập anten và thông tin di động 67

5.1.2 Kỹ thuật phân tập anten và các hệ thống LAN vô tuyến 70

5.2 Giải thuật – mô hình hóa kỹ thuật Phân tập anten 72

5.2.1 Giải thuật và mô hình hoá Phân tập anten 72

5.2.2 Mô hình hóa Beam pattern để so sánh với anten thông minh 74

5.3 Kết quả thực hiện 77

5.3.1 Giới thiệu chương trình 77

5.3.2 Kết quả minh họa 79

CHƯƠNG 6 TỔNG KẾT 88

6.1 Kết luận 88

6.2 Hướng phát triển: 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Phụ lục: Từ viết tắt

GVHD: TS Phan Hoàng Phöông - Trang 1 -

PHAÀN I: TOÅNG QUAN

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của thông tin di động

Thông tin di động ra đời lần đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay nó đã trải qua nhiều thế hệ Đầu tiên là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Điển hình cho thế hệ này là một số hệ thống như:

- AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

- TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ

- NMT450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 MHz

- NMT900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz

- NTT (Nippon Telegraph and Telephone): Hệ thống do NTT phát triển Một số đặc điểm chính của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại…

Thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động [8] Một số hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai điển hình như:

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 3 - Chương 1 Giới thiệu

- GSM (Global System for Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu

- IS-95 (Interim Standard-95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ

do Qualcomm đề xuất

- IS-136 (Interim Standard-136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ do AT&T đề xuất

- PDC (Personal Digital Cellular): Hệ thống tổ ong cá nhân

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13kbps [8] Chúng đã có những phát triển rất mạnh vào những năm 1990 Tuy nhiên, số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với những nhu cầu về dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, roaming; các yêu cầu về chất lượng cuộc gọi, … đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các tiêu chuẩn thông tin di động mới

Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp nhận và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000 [8] Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA Điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

WCDMA sẽ là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136 CDMA2000

sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA là IS-95

Nhưng không dễ để phát triển trực tiếp từ thế hệ thứ hai sang thế hệ thứ

ba do các vấn đề về kỹ thuật giữa hai thế hệ có nhiều điểm khác nhau Thế giới đang theo xu hướng quá độ lên thế hệ 2.5G (GPRS, CDMA2000 1X) trước khi triển khai thế hệ thứ ba Một số ưu thế mà thế hệ 2.5G đạt được:

1 Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và số liệu 144kbps

2 Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốc cải tiến, Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng

3 Các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới

4 Cải thiện liên quan đến đến dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short Message Service) như: mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS

5 Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Identification Module)

6 Dịch vụ mạng thông minh

7 Các cải thiện chung như: chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 5 - Chương 1 Giới thiệu

Thông tin di động thế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba:

- Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbps

- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài

ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên

- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số hóa các dịch vụ số liệu

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất là đối với thoại

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh

Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giải quyết những thách thức trong lĩnh vực thông tin di động: sự hạn chế về dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pin trong các tư”ết bị di động, …

1.2 Những tồn tại, khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ một và hai bị hạn chế nhiều là do sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA hoặc CDMA

Các kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì có hạn Ví dụ như hệ thống GSM sử dụng băng tần 900 MHz thì khoảng tần số dành cho truy nhập hướng lên là

890 MHz đến 915 MHz, khoảng tần số dành cho hướng xuống là 935 MHz đến

960 MHz Tương tự các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được phân bổ các băng tần 1885 – 2025 Mhz cho truy nhập hướng lên và 2110 – 2200 MHz cho truy nhập hướng xuống Tuy CDMA có làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể, nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu ISI do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell Do đó dung lượng hệ thống thật sự không cao

Bên cạnh đó, chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và nhiễu đồng kênh, nhiễu ISI khi họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba và các thế hệ kế tiếp sẽ cung cấp rất nhiều các loại hình dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng ở thế hệ 3G sẽ lên đến 2 Mbps [8] Nhưng tốc độ cực đại này sẽ chỉ có ở các ô picô trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 144 Kbps sẽ được đảm bảo cho di động thông thường ở các ô macro

Ngoài ra, có thể thấy rằng các hệ thống thông tin di động hiện nay chưa khai thác hiệu quả thành phần không gian của kênh vô tuyến Các hệ thống thông tin di động thực hiện phát xạ và thu tín hiệu với các anten có độ lợi thấp, hoặc thậm chí không có độ lợi anten Trong khi kênh truyền sóng ở các khu vưc đô thị và môi trường trong nhà (indoor) chịu rất nhiều ảnh hưởng của truyền sóng đa tia Trong môi trường như vậy, các hệ thống thông tin di động hiện nay

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 7 - Chương 1 Giới thiệu

- Chỉ sử dụng một phần rất nhỏ của năng lượng phát xạ

- Chịu xuyên nhiễu từ tín hiệu của các hệ thống khác hoặc của đường truyền

Trong khi các cải tiến về mặt thời gian, tần số đưa dung lượng hệ thống đến ngày càng gần hơn giới hạn Shanon thì khoa học gần đây đã có hướng chuyển biến sang nghiên cứu các kỹ thuật khai thác hiệu quả về mặt không gian, cụ thể sẽ là SDMA thay thế cho các phương pháp truy nhập FDMA, TDMA, CDMA Trong giới hạn của đề tài nghiên cứu này sẽ tìm hiểu một số vấn đề về khai thác hiệu quả không gian trong nâng cao dung lượng hệ thống, bao gồm các kỹ thuật như kỹ thuật phân tập anten, anten thông minh, kỹ thuật OFDM và công nghệ MIMO, trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng nâng cao dung lượng của hệ thống MIMO khi dùng các phương pháp phân tập anten

1.3 Sơ lược nội dung luận văn

Nội dung luận văn chia thành hai phần chính: lý thuyết về kỹ thuật phân tập anten và chương trình mô phỏng kết quả tìm hiểu được Nội dung của các chương của luận văn được tóm tắt như sau:

1 Chương 1 – “GIỚI THIỆU”: trình bày sơ lược lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động, các hạn chế cần khắc phục để phát triển dung lượng của mạng thông tin di động Trên cơ sở đó, giới thiệu hướng nghiên cứu các kỹ thuật khai thác hiệu quả không gian Và kỹ thuật phân tập anten là nội dung chính của đề tài này

2 Chương 2 – “MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN”: Tìm hiểu đặc điểm của môi trường vô tuyến trong thông tin di động, trong đó chú trọng các đặc điểm chính của kênh fading

3 Chương 3 – “TỔNG QUAN VỀ OFDM VÀ CÔNG NGHỆ MIMO”: Nghiên cứu kỹ thuật OFDM – MIMO, trong đó đặc biệt phân tích dung lượng của hệ thống MIMO

4 Chương 4 – “KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN”: Trình bày về kỹ thuật phân tập anten

5 Chương 5 – “MÔ HÌNH HOÁ - GIẢI THUẬT - KẾT QUẢ”: Tìm hiểu một số nghiên cứu đã thực hiện về kỹ thuật phân tập anten Mô hình hóa và viết chương trình Matlab mô phỏng kỹ thuật phân tập anten Trong phần thực hiện, đề tài này tập trung vào mô hình hoá và viết chương trình mô phỏng BER của kỹ thuật phân tập anten

6 Chương 6 – “TỔNG KẾT” – Trình bày một số kết luận và hướng phát triển đề tài

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 9 -

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu

Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và gây ra hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao đường truyền (path loss), fading đa đường (multipath fading),

Fading chậm (slow fading) do sự cản trở của các tòa nhà và địa hình tự nhiên như đồi, núi, … và được gọi là long-term fading

Fading nhanh (Fast fading) gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh máy đầu cuối di động Loại fading này còn được gọi là short-term fading hay small scale fading

Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của kênh sẽ quyết định một kênh là slow fading hay là fast fading Trong một kênh fast fading, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kỳ symbol Và thường do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như nhà cửa, building, các kiến trúc hoặc các vật thể tự nhiên như rừng Hình bao của tín hiệu nhận được có fast fading thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông tin vô tuyến

2.2.1 Suy hao đường truyền (path loss and attenuation)

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 11 - Chương 2 Môi trường thông tin vô tuyến

nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta

thiết kế Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay

nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

Phương trình sau mô tả công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một

khoảng cách R [2]:

2 R

T T R

R 4 G G P

P R : Công suất tín hiệu thu được (W)

P T :Công suất phát (W)

G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

G p : Độ lợi anten phát

λ: Bước sóng của sóng mang

R: Khoảng cách truyền

Hoặc ta có thể viết lại là:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

Nhiễu AWGN có mật độ phổ là hằng số và có giá trị ngẫu nhiên tuân

theo qui luật phân phối xác suất chuẩn Gaussian nên còn gọi là nhiễu trắng

cộng Gaussian (AWGN) Nhiễu được gọi là nhiễu cộng vì tín hiệu nhiễu sẽ được

cộng vào tín hiệu phát

Nhiễu trắng chứa tất cả các tần số có phổ giống nhau và có phân phối

chuẩn Khi đi qua máy thu có băng thông giới hạn, sẽ thu được nhiễu trắng có

băng thông giới hạn (Band limited white noise) Nhiễu trắng xuất phát từ hai

nguồn nhiễu chính sau: nhiễu nhiệt (thermal noise) do trở kháng nội gây ra và

nhiễu bắn (shot noise) do sự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử khi đi qua

các phần tử phi tuyến trong mạch (transistor, diode, FET,…)

a Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt phát sinh do sự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử

trong điện trở do ảnh hưởng của nhiệt độ và không phụ thuộc vào dòng DC chảy

qua điện trở đó Giá trị điện áp nhiễu phụ thuộc vào nhiệt độ, băng thông và

điện trở [2]:

[ ]V (RMS)

kTBR

Với k là hằng số Boltzman, k=1,38.10-23 J/K

T –nhiệt độ tuyệt đối của điện trở, tính bằng độ K (X0C+2730)

B –băng thông hệ thống đang xét

b Nhiễu bắn

Nhiễu bắn được tạo ra khi có dòng chảy qua các phần tử phi tuyến trong

mạch Đây cũng là một loại nhiễu trắng nhưng khó tính toán hơn nhiễu nhiệt vì

mỗi phần tử phi tuyến khác nhau sẽ có công thức xác định dòng nhiễu khác

nhau Nói chung, dòng nhiễu này phụ thuộc vào dòng phân cực DC cho phần tử

đó Chẳng hạn đối với diode bán dẫn (khi có dòng chảy qua tiếp xúc PN phân

cực thuận) ta có công thức xác định dòng nhiễu sau:

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 13 - Chương 2 Môi trường thông tin vô tuyến

Với q –điện tích điện tử 1,6.10-19 C

I-dòng phân cực DC

B-băng thông

Như vậy, nhiễu trắng mà ta đã nói phụ thuộc vào các phần tử bên trong của mạch thông tin và có thể khắc phục được Bên cạnh đó, môi trường bên ngoài cũng tồn tại các loại nhiễu khác nhau mà sự xuất hiện và đặc điểm ngẫu nhiên của nó làm ta không thể can thiệp được

Trong nội tại thiết bị thông tin, ngoài nhiễu trắng ra ta còn có nhiễu giao thoa (ISI) phát sinh do sự trễ truyền lan khác nhau giữa các tần số khác nhau của tín hiệu, nhiễu giao thoa cũng tồn tại môi trường bên ngoài Đây là nhiễu phát sinh do trễ phụ thuộc vào khoảng cách và tần số của tín hiệu

2.2.2.2 Can nhiễu

Can nhiễu được định nghĩa như là bất cứ tín hiệu không mong muốn nào xuất hiện trong băng tần đang xét Can nhiễu xuất hiện khi có nhiều máy phát cùng làm việc đồng thời trong cùng một băng tần hoặc trong các băng tần kế cận Can nhiễu cũng có thể là nhiễu nhân tạo được sinh ra từ các bộ đánh lửa xe cộ, ánh sáng đèn huỳnh quang, các công tắc điện hoặc bởi nhiễu không gian

a Can nhiễu đồng kênh

Nhiễu đồng kênh xuất hiện khi có nhiều hơn một tín hiệu độc lập (được điều chế hay không điều chế) phát cùng lúc trong cùng một băng tần số Trong hệ thống di động tế bào sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA, do bị giới hạn về băng thông vô tuyến nên người ta phải sử dụng phương pháp tái sử dụng tần số Khi đó, nhiễu đồng kênh xuất hiện từ các trạm gốc xung quanh được phân phối cùng băng tần với trạm gốc đang xét

Trong hệ thống dùng kỹ thuật đa truy cập CDMA, do tất cả các user đều cùng sử dụng chung một dải tần nên nhiễu đồng kênh ảnh hưởng nhiều đến hệ

thống Để giảm ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh này, hệ thống phải sử dụng các mã giả ngẫu nhiên có tính trực giao cao

b Nhiễu kênh kề:

Nhiễu kênh kề xuất phát do việc thiết kế bộ lọc điều chế vô tuyến không hoàn hảo Tín hiệu truyền không có băng thông giới hạn trong một phổ hình chữ nhật vì thế công suất phổ được phát xen vào trong băng tần của kênh kề gây ra nhiễu kênh kề

Ngoài ra, còn có những yếu tố gây nhiễu khác, có thể kể ra như sau:

Nhiễu nhân tạo: gây ra bởi các cơ chế đánh tia lửa điện như: động cơ

điện, đèn huỳnh quang, đánh lửa động cơ xe,…chúng đến anten thu theo cách của tín tiệu vô tuyến Nhiễu này xuất hiện ngẫu nhiên ở vùng tần số dưới 500 MHz

Nhiễu khí quyển: một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo động bầu

khí quyển của Trái Đất, chủ yếu do sấm chớp Phổ của nó được xem như là vô hạn, nhưng có mật độ tỷ lệ nghịch với tần số, do đó thường chỉ gây ảnh hưởng trong vùng tần số nhỏ hơn 20MHz

Nhiễu vũ trụ: gây ra bởi bức xạ Mặt Trời, Mặt Trăng, sao, …Chúng có

phổ từ 8 MHz đến 1,5GHz Thật ra chúng có thành phần tần số thấp hơn 8 MHz, tuy nhiên các thành phần đó bị hấp thu bởi tầng điện ly của Trái Đất trước khi đến mặt đất

c Jammer

Ngoài các yếu tố gây nhiễu không chủ ý vừa kể trên, còn có một yếu tố khác được xem như là “kẻ thù”ø của các hệ thống thông tin, với chủ ý phá hoại hệ thống, làm suy giảm khả năng của hệ thống vì nhiều mục đích khác nhau Những kẻ cố ý gây nhiễu hệ thống được gọi là Jammer Jammer có nhiều chiến lược gây nhiễu hệ thống khác nhau

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 15 - Chương 2 Môi trường thông tin vô tuyến

Mục đích của Jammer là làm mất đi tính tin cậy của hệ thống thông tin của đối phương và thực hiện việc phá hoại đó với chi phí tối thiểu

2.2.3 Fading đa đường (multipath fading channel)

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, … tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều thành phần (giống với tín hiệu gốc) và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác nhau Hiện tượng này được gọi là truyền dẫn đa đường (multipath propagation)

Trong kênh thông tin di động có 2 loại fading: large scale fading và small scale fading Large scale fading chính là sự suy hao công suất hay suy hao đường truyền Small scale fading là sự thay đổi đột ngột (thay đổi nhanh) về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu Sóng vô tuyến khi truyền qua một khoảng cách lớn sẽ bị ảnh hưởng bởi cả small scale và large scale fading

Fading được gây ra bởi hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu được truyền tới bộ thu bằng nhiều con đường khác nhau tại những thời điểm khác nhau Những sóng này kếp hợp với nhau tại anten thu tạo thành một tín hiệu tổng Tín hiệu này có thể rất khác nhau về biên độ và pha tuỳ thuộc vào sự phân bố cường độ của tín hiệu, thời gian truyền tương đối giữa các phiên bản và độ rộng phổ của tín hiệu phát

2.2.3.1 Fading Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ

Đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố

Rayleigh với hàm mật độ xác suất:

)0

(2

exp)

2 2

r

r r

r r

Với σ là giá trị RMS (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước

bộ tách đường bao (envelope detection)

σ 2 là công suất trung bình

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá tri

R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy (cdf):

σ

R dr

r p R r P R P

)(]

2 2

4292.02

22

)(]

Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2σ (căn bậc hai của giá trị trung

bình bình phương) Giá trị Median của r tìm được khi giải phương trình:

=r median p r dr r median

0

177.1)

(2

Hình minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 17 - Chương 2 Môi trường thông tin vô tuyến

Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố RayleighEquation

2.2.3.2 Fading Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Aûnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

)0,0()

) ( 2 2 2 2

r

r A

Ar I e

r r

p

A r

σ

A: biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

I o: là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là

tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2

2log10)(

σ

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k → 0 ( ∞− dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh

Hình 2.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k =−∞dB (Rayleigh) và k=6

dB Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 19 - Chương 2 Môi trường thông tin vô tuyến

2.3 Các kỹ thuật nâng cao chất lượng – dung lượng truyền thông vô tuyến

Trong khi các kỹ thuật mã hóa kênh và công nghệ CDMA đã và đang từng bước ứng dụng vào trong các hệ thống thông tin di động thì các giải pháp khai thác hiệu quả không gian như kỹ thuật OFDM-MIMO, anten thông minh, kỹ thuật phân tập anten hứa hẹn sẽ là các giải pháp thay thế – nâng cấp hữu hiệu dung lượng của các hệ thống thông tin di động để hướng đến công nghệ di động thế hệ thứ 3 và các thế hệ kế tiếp

Phần tiếp theo của đề tài này sẽ tìm hiểu về tính năng của hệ thống OFDM-MIMO, trong đó nghiên cứu sâu về tính năng phân tập anten (Antenna Diversity) qua việc tìm hiểu các thuật toán kết hợp trong Phân tập anten, đồng thời có sự xem xét mối tương quan giữa kỹ thuật Phân tập anten và kỹ thuật Beamforming của Anten thông minh

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ OFDM VÀ CÔNG NGHỆ MIMO

3.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM

3.1.1 Giới thiệu

OFDM là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang OFDM được gọi là kỹ thuật điều chế hay kỹ thuật ghép, dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Lý do chính để sử dụng OFDM là khả năng chống lại fading lựa chọ tần số tần số hoặc giao thoa dải hẹp rất cao Đối với hệ thống sóng mang đơn, sự fading hoặc giao thoa có thể gây ra cho toàn bộ tuyến truyền nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ có một phần nhỏ của sóng mang con bị ảnh hưởng Mã sửa lỗi có thể được sử dụng để sửa các lỗi sai này

Trong các hệ thống dữ liệu song song trước OFDM, toàn bộ dải tần số tín hiệu được chia thành N kênh không chồng lấn Mỗi kênh được điều chế với một

kí tự (symbol) riêng biệt và N kênh này được ghép theo tần số với nhau Điều này rất tốt để tránh chồng phổ nhằm loại bỏ giao thoa xuyên kênh Tuy nhiên, nó dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả nguồn phổ có sẵn Để giải quyết vấn đề này, OFDM sử dụng dữ liệu song song và FDM (Frequency Division Multiplexing) với các kênh chồng nhau, trong đó mỗi kênh mang một tốc độ dữ liệu, được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (High-Speed Equalization) đồng thời chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng hoàn toàn dải thông có sẵn

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 21 - Chương 3 OFDM và MIMO

Hình sau minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang không chồng lấn và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lấn Bằng cách sử dụng kỹ thuật

đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50 % băng thông

Hình 3.1 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung

Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau Từ trực giao ở đây chỉ ra rằng có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số sóng mang trong hệ thống

Các tần số sóng mang phụ được phân cách với nhau một khoảng bằng nghịch đảo chu kỳ tín hiệu, để làm cho chúng trực giao với nhau Cho Ns sóng mang phụ, tốc độ kí hiệu trên mỗi sóng mang phụ bị giảm đi 1/Ns lần so với tốc độ ký hiệu của điều chế đơn sóng mang Điều này đảm bảo rằng chu kỳ tín hiệu dài hơn giá trị trải trễ đa đường, vì vậy làm giảm ISI Việc cân bằng vẫn còn phải có để sửa độ lợi và pha của mỗi sóng mang phụ Độ phức tạp của hệ thống

OFDM bị các giải thuật IFFT/FFT chi phối, đòi hỏi ở cả bộ phát lẫn bộ thu Tuy nhiên người ta không yêu cầu một bộ cân bằng đầy đủ

Hình 3.2 (a): Phổ của một kênh phụ OFDM (b): Phổ của một tín hiệu OFDM

Về nguyên lý, OFDM là phương pháp tách luồng dữ liệu tốc độ cao thành một số luồng tốc độ thấp hơn để truyền đồng thời trên một số sóng mang Vì thời gian ký hiệu tăng đối với các sóng mang phụ tốc độ thấp hơn, nên tán xạ thời gian gây ra bởi trễ đa đường giảm Giao thoa giữa các ký tự được loại bỏ gần như hoàn toàn do có khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, ký hiệu OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh giao thoa giữa các sóng mang

Khi thiết kế hệ thống OFDM, cần quan tâm đến nhiều thông số như: số sóng mang phụ, thời gian bảo vệ, thời gian ký hiệu, khoảng cách giữa các sóng mang, loại điều chế cho mỗi sóng mang và loại mã sửa lỗi Sự lựa chọn các thông số này tuỳ theo yêu cầu của hệ thống như: băng thông, tốc độ bit yêu cầu, trải trễ chấp nhận được và giá trị Doppler

Hệ thống OFDM có những ưu điểm sau:

- Sử dụng phổ hiệu quả do cho phép chồng lặp

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 23 - Chương 3 OFDM và MIMO

- Do việc chia kênh thành các kênh con có fading phẳng băng hẹp, OFDM chống lại fading lựa chọn tần số tốt hơn hệ thống đơn sóng mang

- Loại bỏ nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu giữa các khung (IFI) nhờ sử dụng cyclic prefix

- Ít nhạy cảm với lệch thời gian

- OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, đối với một trải trễ cho trước, độ phức tạp thi công thấp hơn nhiều so với hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ cân bằng

- Trong những kênh thời gian thay đổi tương đối chậm, có thể tăng dung lượng đáng kể bằng cách tương thích giữa tốc độ dữ liệu đối với một sóng mang phụ theo tỉ lệ tín hiệu/ nhiễu (S/N) của riêng sóng mang phụ này

- OFDM kháng nhiễu băng hẹp rất tốt, bởi vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng đến một tỉ lệ nhỏ các sóng mang phụ

- OFDM có thể tạo ra các mạng đơn tần, mà những mạng này được đặc biệt chú ý đối với ứng dụng truyền thông

Ngoài những ưu điểm trên, OFDM cũng có những hạn chế so với điều chế đơn sóng mang:

- OFDM nhạy hơn với sự lệch tần số và nhiễu pha

- OFDM có một tỉ số công suất đỉnh/ trung bình (PAPR) tương đối lớn, mà tỉ số này có xu hướng làm giảm hiệu suất của khuếch đại âm tần

3.1.2 Cấu hình hệ thống

3.1.2.1 Sơ đồ khối:

a Sơ đồ khối của máy phát:

b Sơ đồ khối của máy thu:

Hình 3.3 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu OFDM

3.1.2.2 Các khối chức năng

a Mã hoá kênh:

Ngày nay, nhu cầu về hiệu quả và độ tin cậy trong hệ thống truyền và lưu trữ thông tin số ngày càng tăng Sự gia tăng này do sự xuất hiện của các mạng tốc độ cao, với các ứng dụng để chuyển đổi, xử lý và lưu trữ thông tin số Việc thiết kế các hệ thống này yêu cầu kết hợp giữa hệ thống máy tính và truyền

Mã hóa

Dữ liệu vào

(nhị phân)

Ghép xen Điều chếQAM Chèn pilot S/P IFFT

P/S

Thêm vào chu kỳ windowing DAC

RF TX Phát

Giải mã

Giải ghép xen

Giải điều chế QAM

Chỉnh sửa kênh

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 25 - Chương 3 OFDM và MIMO

thông Quan tâm lớn nhất của việc thiết kế là điều khiển lỗi để tạo lại thông tin có độ tin cậy cao

Bằng việc mã hoá thông tin thích hợp, lỗi được tạo ra bởi nhiễu kênh truyền hoặc phương tiện lưu trữ có thể được kiểm soát ở một mức mong muốn, không làm suy hao tốc độ truyền và lưu trữ thông tin Đã có nhiều phương pháp mã hoá hữu hiệu để điều khiển lỗi trong môi trường có nhiễu

Các kỹ thuật mã hoá điều khiển lỗi có thể phát hiện và sửa các lỗi xuất hiện khi những thông tin được truyền đi trong hệ thống thông tin số Để thực hiện việc này, bộ mã hoá phát đi không chỉ những ký tự thông tin mà còn thêm vào các ký tự thừa Bộ giải mã giải mã những gì mà nó thu được, dùng những ký tự thừa để phát hiện và sửa bất kỳ các lỗi xuất hiện trong suốt quá trình truyền dữ liệu Người sử dụng có thể dùng kỹ thuật mã hoá điều khiển lỗi nếu kênh truyền bị nhiễu nhiều hay dữ liệu rất nhạy cảm với nhiễu Tuỳ theo bản chất của dữ liệu hay nhiễu, ta có thể chọn một kỹ thuật mã hoá điều khiển lỗi chuyên biệt

Trong quá trình xử lý tín hiệu OFDM, việc phân bố dữ liệu trên nhiều sóng mang có nghĩa là fading chọn lọc tần số sẽ gây ảnh hưởng lỗi lên một số bit trong khi các bit khác vẫn nguyên vẹn Bằng cách sử dụng một bộ mã sửa sai, thêm vào một số bit dư tại đầu ra, ta có thể sửa được nhiều lỗi trong các bit thu về

Phân loại mã:

• Mã khối (Block Codes):

Mã khối là một trường hợp đặc biệt của kỹ thuật điều khiển lỗi Các kỹ thuật mã hoá khối nhóm các ký tự thông tin nhất định thành những ký tự mã

Một bộ mã hoá khối xử lý mỗi khối dữ liệu một cách độc lập và là một thiết bị không nhớ

Việc mã hoá đối với mã khối là chia chuỗi thông tin thành những khối dữ liệu có k bit thông tin Một khối dữ liệu được đặc trưng bằng chuỗi nhị phân có chiều dài k, u=(u1, u2,….,uk) gọi là thông điệp (message) Có tổng cộng 2k thông điệp khác nhau Bộ mã hoá chuyển đổi mỗi thông điệp u một cách độc lập thành chuỗi có chiều dài n, v=(v1,v2,…vn) của mỗi ký hiệu rời rạc gọi là từ mã Vì vậy tương đương 2k thông điệp khác nhau có 2n từ mã khác nhau ở ngõ ra bộ mã hoá Tập hợp 2n từ mã có chiều dài n gọi là mã khối (n, k) Tỉ số R =k/n gọi là tốc độ mã hoá và có thể được định nghĩa là số bit thông tin mã hoá trên ký hiệu được truyền đi Vì thế mã ngõ ra n ký hiệu chỉ phụ thuộc vào k bit ngõ vào và có thể được tạo ra từ việc kết hợp những mạch logic không nhớ

Trong mã nhị phân, mỗi từ mã v cũng là nhị phân Vì thế mã nhị phân rất hữu dụng để có được những từ mã khác nhau k ≤n hay R ≤1 Khi k<n có thể thêm vào n-k bit thừa để định dạng một từ mã, những bit thừa này giúp cho từ mã có khả năng chống lại những kênh truyền có nhiễu Đối với một tốc độ mã hoá cố định R, thêm vào nhiều bit thừa ta có thể gia tăng chiều dài mã trong khi vẫn giữ k/n không đổi Làm thế nào chọn được số bit thừa để đạt được việc truyền tin cậy qua kênh có nhiễu là một vấn đề quan trọng trong việc thiết kế bộ mã hoá

Mục đích thêm vào (n – k) kí hiệu thừa là để tăng khoảng cách Hamming cực tiểu dmin, dmin là số ký tự khác nhau nhỏ nhất giữa hai từ mã bất kỳ Nếu khoảng cách nhỏ nhất dmin thì mã có thể sửa được t lỗi, với t được cho bởi [2]:

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 27 - Chương 3 OFDM và MIMO

) 2

1 ( min −

≤ floor d

Mã Reed Solomon là mã khối được sử dụng phổ biến nhất Mã Reed

Solomon được định nghĩa cho khối các kí hiệu với m bit trên kí hiệu, chiều dài

mã n liên hệ với m như sau [2]:

floor − kí hiệu bị lỗi

Mỗi kí hiệu có m bit, vì vậy, có thể sửa được tối đa m. )

2 (n k

floor − bit bị lỗi

• Mã chập (Convolutional Codes):

Bộ mã hoá trong mã chập cũng nhận một chuỗi k bit thông tin u và tạo ra

một chuỗi bit được mã hoá v gồm những khối n kí hiệu Tuy nhiên, mỗi khối

được mã hoá không chỉ phụ thuộc vào k bit tương đương mà còn phụ thuộc vào

m khối thông điệp trước đó Vì vậy bộ mã hoá được gọi là có nhớ bậc m Tập

hợp mã được tạo ra bởi k ngõ vào, n ngõ ra và có bậc m được gọi là mã chập (n,

k, m) Tỷ số R=k/n được gọi là tốc độ mã

Trong mã chập, những bit thừa được thêm vào chuỗi thông tin để chống

lại môi trường có nhiễu nếu k < n hay R<1 Điển hình k, n là những số nguyên

nhỏ và nhiều bit dư được thêm vào bằng cách gia tăng thứ tự bộ nhớ m của mã

trong khi vẫn giữ k, n không đổi

Một mã chập sắp xếp mỗi k bit của luồng dữ liệu ngõ vào liên tục thành n

bit ngõ ra Sự sắp xếp thực hiện bởi việc chập luồng bit ngõ vào với một đáp ứng

xung nhị phân Mã chập có thể được thực hiện đơn giản bởi thanh ghi dịch và bộ cộng module 2

Việc giải mã hóa của mã chập thường được thực hiện bằng giải thuật giải thuật giải mã hóa “Viterbi quyết định mềm” (Soft Decision Viterbi)

Ví dụ một bộ mã hóa tốc độ ½ thường được sử dụng nhất như hình vẽ sau:

Hình 3.4 Bộ mã chập với chiều dài là 7

Bộ mã này có một luồng dữ liệu đầu vào và 2 ngõ ra Ai, Bi được ghép xen để tạo mã ngõ ra tuần tự {A B A B1 1 2 2 } Mỗi cặp bit ngõ ra {Ai,Bi} phụ thuộc vào 7 bit ngõ vào, 1 bit ngõ vào hiện tại cộng với 6 bit ngõ vào trước đó được lưu trữ trong thanh ghi dịch chiều dài 6

b Kỹ thuật ghép xen (Interleaver):

Do fading lựa chọn tần số của kênh vô tuyến điển hình nên các sóng mang con của OFDM thường có biên độ khác nhau Fading sâu trong phổ tần số có thể làm cho những nhóm sóng mang phụ ít tin cậy hơn các sóng mang khác,

vì vậy nó tạo ra các chùm lỗi bit hơn là được phân tán một cách ngẫu nhiên Hầu hết các mã sửa lỗi (forward error correction code) không được thiết kế để giải

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 29 - Chương 3 OFDM và MIMO

quyết lỗi chùm Vì vậy, ghép xen nhằm mục đích ngẫu nhiên hóa sự xuất hiện của các bit trước khi giải mã Ở bộ phát, các bit được sắp xếp theo một cách nhất định và ở bộ thu thì thực hiện ngược lại trước khi giải mã Điều này đảm bảo các bit kế cận được phân cách với các bit khác sau khi được ghép xen

• Kỹ thuật ghép xen theo khối (Block Interleaving):

Luồng bit sau khi mã hoá được đọc vào theo từng dòng của ma trận pxm và được đọc ra theo từng cột Ma trận pxm với p có thể xem là chu kỳ của bộ ghép xen Động tác này sẽ thay thế p-1 ký tự vào giữa mỗi 2 ký tự ban đầu Nét tinh tế của kỹ thuật này là các ký tự mà ta thực hiện động tác xen chính là các biên độ của sóng mang được đièu chế Chính vì vậy kỹ thuật ghép xen có rác dụng phân tán trong miền tần số Khi các ký hiệu OFDM thu về, quá trình tách ký tự được thực hiện, kết quả là các chùm lỗi mà kênh gây ra sẽ được chia cắt thành nhiều ký tự lỗi riêng lẻ Điều này nâng cao đáng kể hiệu quả của bộ giải mã tiếp theo

Ví dụ ghép xen chuỗi 48 bit có thể được thực hiện như sau:

hiệu 16-QAM, 4 bit/ký hiệu Ghép xen chỉ làm thay đổi thứ tự các kí hiệu chứ không làm thay đổi thứ tự các bit trong kí hiệu, điều này thích hợp với mã Reed Solomon vì mã này hoạt động trên các ký hiệu hơn là trên bit

• Convolutional Interleaving:

Các ký tự mã hoá được dịch vào một bộ thanh ghi, mỗi thanh ghi tiếp theo cho phép ghi nhiều hơn thanh ghi trước đó J ký tự Thanh ghi có chỉ số 0 xem như không có chức năng ghi dịch (ký tự vào được đi thẳng) Với mỗi ký tự mã hoá mới, bộ chuyển mạch sẽ chuyển sang một thanh ghi mới, và ký tự mới này sẽ được dịch vào trong khi ký tự trước đó trong thanh ghi trước được dịch ra bộ điều chế hay máy phát Sau (N-1) thanh ghi, bộ chuyển mạch lại quay về thanh ghi 0 và quá trình được lặp lại Bộ giải ghép xen thực hiện các động tác ngược lại Hai bộ chuyển mạch tại đầu phát và thu cần phải hoạt động đồng bộ

Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ Interleaver/Deinterleaver

Chất lượng của bộ ghép xen dạng này là tương đương với dạng khối nhưng có ưu điểm đặc biệt là nó gây ra độ trễ từ đầu phát đến đầu thu chỉ băng NJ(N-1) ký tự và số phần tử nhớ trong các thanh ghi dịch là NJ(N-1)/2 tại cả hai

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 31 - Chương 3 OFDM và MIMO

đầu kênh Vì vậy bộ ghép xen dạng này giảm được một nửa bộ nhớ cũng như độ trễ cho hệ thống so với dạng khối

c Điều chế:

Điều chế trong hệ thống OFDM có thể được chọn dựa trên yêu cầu công suất hoặc/và hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể được quy định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn=an+jbn ở ngõ ra Các ký tự an, bn có thể được chọn là { 1, 3}± ± cho 16-QAM và { 1}± cho QPSK

d Biến đổi S/P, P/S:

Dữ liệu được truyền dưới dạng luồng dữ liệu nối tiếp Trong OFDM mỗi ký hiệu đặc thù truyền 40-4000 bit do đó cần một tầng biến đổi S/P nối tiếp sang song song để luồng bit nối tiếp ngõ vào thành dữ liệu truyền trên mỗi kí hiệu OFDM Dữ liệu cấp cho mỗi ký hiệu tùy thuộc vào hệ thống điều chế và số

lượng sóng mang phụ Ví dụ đối với điều chế 16QAM mỗi sóng mang phụ mang

4 bit dữ liệu vì vậy sử dụng 100 sóng mang phụ thì số bit/mỗi tín hiệu sẽ là 400

Hệ thống điều chế sử dụng cho mỗi sóng mang phụ có thể khác nhau do đó mỗi bit trên mỗi sóng mang phụ cũng khác nhau

Tại máy thu xảy ra quá trình ngược lại, dữ liệu từ các sóng mang phụ được biến đổi trở lại luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Khi truyền OFDM trong môi trường vô tuyến đa đường, fading lựa chọn tần số có thể làm cho từng nhóm các sóng mang phụ bị suy yếu nặng, có thể dẫn đến các lỗi bit Những giá trị Null này trong đáp ứng tần số của kênh có thể dẫn đến các thông tin truyền trong các sóng mang lân cận bị phá hủy, dẫn đến sự kết nhóm các lỗi bit trong mỗi ký hiệu Hầu hết các hệ thống sửa lỗi FEC làm việc hiệu quả nếu các lỗi được trải đều hơn là trong các nhóm lớn, để cải thiện chất lượng, hầu hết các hệ thống ngẫu nhiên hóa (scramble) dữ liệu như là một phần của tầng biến đổi S/P Điều này được thực hiện bằng việc ngẫu nhiên cấp phát sóng mang phụ của mỗi bit dữ liệu liên tiếp Tại máy thu, thực hiện quá trình trộn ngược lại để giải mã tín hiệu Việc này khôi phục lại chuỗi bit dữ liệu nhưng trải rộng các nhóm lỗi bit để chúng được phân phối đều theo thời gian

e Sử dụng IFFT trong hệ thống OFDM:

Như đã biết, OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ nhiều sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự… Tuy nhiên, bất lợi là mỗi sóng mang cần có một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống Nhằm giải

GVHD: TS Phan Hồng Phương - Trang 33 - Chương 3 OFDM và MIMO

quyết vấn đề này, giải thuật IDFT/DFT (Inverse Discrete Fourier Transform/ Discrete Fourier Transform) có vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế Thực tế, nếu dùng giải thuật IFFT/ FFT ( Inverse Fast Fourier Transform/ Fast Fourier Transform) ta có thể giảm độ phức tạp của hệ thống đi rất nhiều Giải thuật IDFT:

2 ( 1)( 1) / 1

1

m

y k X m e M

π − −

=

= ∑ ; (k=1,…,M) (3.5) Giải thuật DFT:

2 ( 1)( 1) / 1

( ) M ( ) j m k M m

Y k x m e− π − −

=

=∑ ; (k=1,…,M) (3.6) Với X(m), x(m) là tín hiệu ngõ vào

Y(m), y(m) là tín hiệu ngõ ra

Phân tích ưu điểm của giải thuật FFT – IFFT:

IDFT N điểm yêu cầu N2 lần nhân phức, thực chất chỉ là các phép quay pha (phase rotation), tất nhiên cũng có phép cộng, nhưng sự phức tạp về phần cứng của phép cộng đơn giản hơn nhiều so với phép nhân hoặc dịch pha nên ta chỉ so sánh các phép nhân IFFT giảm đáng kể số lượng phép tính bằng việc lợi

dụng tính đều đặn trong hoạt động của IDFT

f Độ phức tạp khi thi công OFDM so với điều chế đơn sóng mang:

Điều chế đơn sóng mang phát đi tất cả các tín hiêu dữ liệu một cách liên tục Tán xạ đa đường trong tuyến âm tần có thể gây ra tiếng vọng từ một tín hiệu dữ liệu này làm ảnh hưởng đến tín hiệu lân cận (ISI) Người ta dùng các bộ cân bằng để loại bỏ hiệu ứng này Vì vậy trong hệ thống đơn sóng mang độ phức tạp thi công phụ thuộc nhiều vào các bộ cân bằng Nó cũng có ưu điểm là ít nhạy